计算材料学讲稿-6
金属材料学(11)计算材料学2006.9.1
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km
金属材料学
西北工业大学
材料学院
本科生学位课
28
生物
人高 針頭 紅血球 分子及DNA 氫原子 100萬奈 米 1千奈米 1奈米 0.1奈米 20億奈米
西北工业大学 材料学院 陈铮 本科生学位课 金属材料学
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基本粒子 原子核 原子 最小 的细胞 DNA长度 人
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美国国家科学研究委员会报告
专门报告指出，由于理论和计算能力的进步 ，已经可能实现从理论上预测新材料。 同时，计算机能力将由于并行化而提高2-3 个数量级，对于材料科学中的理论与计算将 带来新的机遇。
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36
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西北工业大学 材料学院 陈铮 本科生学位课 金属材料学
9
材料设计的展望
(4)材料研究和制备的许多复杂的物理、化学过程 需要用计算机进行模拟和计算，提供实验难以得 到的信息。 (5)原子、分子为起始物的材料合成和在微观尺度 上控制结构，是现代先进材料的重要发展方向， 材料微观设计不可缺少。
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陈铮
本科生学位课
金属材料学
18
美国NRC 指出的9个机遇
(最新整理)材料物理讲稿第6章
2021/7/26
10
在能带理论下，有电导率
e2n*F e2n*lF
m* m*vF
其中n*称为有效电子数，表示单位体积内实际 参加传导过程的电子数，m*称为电子的有效质 量，是考虑晶体点阵对电场作用的结果。
此公式不仅适用于金属，也适用于非金属。
对碱金属，n*=n，m*=m，即与自由电子的假设 形式相同。
不是常数。t温度下的实际电阻温度系数
t
1
t
d(C-1)
dt
由于影响因素复杂，实际材料的一般不能通过理
论计20算21/7/2得6 到，要通过电阻－温度曲线测试得到23。
6.1.4 电导功能材料 (Functional materials with special electrical conductivity)
理想晶体和实际 晶体在低温时的 电阻率－温度关 系
有杂质和缺陷的 晶体 ，0K时电阻 不为0。
有缺陷的晶体， 0K时电阻不为0。
理想晶体低温下的 剩余电阻很小，在 0 0K时电阻为0。
2021/7/26
3
2 1
4 .2
T (K )
21
认为按一定方法制备的金属具有相似的几何缺陷浓
度，则金属导体中的杂质含量越多，在极低温（一 般为4.2K）下金属的剩余电阻率越大——可用高温 和低温下电阻的比率反映金属导体的纯度。
(最新整理)材料物理讲稿第6章
2021/7/26
1
第6章 材料的电学 (Electrical properties of
materials)
2021/7/26
2
许多材料由于其电学性质获得应用
金属——导线 陶瓷——绝缘体 半导体——信息、控制等领域的物质基础 超导体——逐渐获得工程上的应用
计算材料学课程简介和教学大纲
4
编程，上机
4
分子动力学方法的软、硬球模型（讲授）
5
分子动力学计算方法在材料科学中的应用（讲授）
5
量子力学基础知识（讲授）
6
分子的结合能及其计算（讲授）
6
物质的能带结构及其计算（讲授）
7
编程，上机
7
多电子体系的电子态、密度泛函概要（讲授）
8
编程作业讲评（讲授与互动）
8
总复习、答疑（讲授与互动）
备注 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时
的问题。
AM
1 M
M i1
A(Xi )
求解该问题首先需要建立系统分子运动方程，然后通过直接对系统中的每个分子运动
方程进行数值求解，得到每个时刻各个分子的坐标与动量随时间的迁移，即在相空间的运动 轨迹，再利用统计的方法得到多体系统的静态和动态特性，从而得到系统的宏观性质。
本次课程主要讲述求解分子动力学运动方程的方法，如：Verlet 法、蛙跃法和 Gear 方法（预纠法） 等。
期末开卷考试：80％。 四、教学安排
每周 6 学时，共 8 周（其中安排编程、上机调试 6 学时）。 （一）主要内容：
第一章 微分方程的常用数值计算方法(6 学时) 1.1 差分格式 1.2 线性方程组的数值计算方法 1.3 MATLAB 语言基础
第二章 蒙特卡罗方法（6 学时） 2.1 蒙特卡罗方法基础知识 2.2 蒙特卡罗方法在材料科学中的应用
simulation on materials science are illustrated.
《计算材料学》 课程教学大纲-r
《计算材料学》课程教学大纲一、课程名称（中英文）中文名称：计算材料学英文名称：Computational Materials二、课程代码及性质课程代码:0817941课程性质:专业选修课程,选修三、学时与学分总学时：32（理论学时：32学时；实践学时：0学时）学分：2四、先修课程高等数学、大学物理、量子力学、计算机基础、C++编程。
五、授课对象本课程面向材料科学专业、功能材料专业学生开设六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）《计算材料学》是以计算机为工具，应用适当的数学方法，对材料科学问题进行数值分析与研究、对材料性质及过程进行数值模拟的新兴学科，是研究材料问题的一种新方法。
它紧密地联系实验与理论，加快材料研发进程。
本课程将针对微观模拟方法中的分子动力学进行介绍，学习分子动力学方法软件lammps并应用于材料各种重要性质的模拟。
本课程总的教学目的：（1）掌握分子动力学模拟的基本原理和流程，理解分子动力学的基本要素及其对模拟结果的重要性。
（2）学会使用lammps程序，并掌握使用模拟方法对材料的常见性质如晶格常数、弹性常数、热膨胀系数、热导率等进行模拟，并用于材料问题的前沿研究；（3）提高和锻炼学生的科研能力，包括文献调研、抽象建模、编程能力、数据处理以及结果分析等能力；（4）提高和锻炼学生的团队领导、合作交流、PPT制作、成果展示、英语阅读和写作能力等。
七、教学重点与难点：教学重点：1.分子动力学基本概念：边界条件、势函数、优化算法2.材料相关性质的模拟：热膨胀系数、熔点、热导率的计算方法教学难点：时间平均与系综平均、边界条件、邻域列表、优化算法、热导率模拟。
八、教学方法与手段：教学方法：(1) 以课堂讲授为主,阐述该课程的基本内容,保证主要教学内容的完成;(2) 安排适量的课堂讨论环节,并通过介绍分子动力学方法在材料领域的前沿研究应用，使学生了解最新的科研动态，并提供相关题目，鼓励学生自由组合，分组进行研究和讨论。
计算材料学ppt课件
• 将多电子问题变为了单电子问题，但是没 有考虑电子的交换反对称性 。为了研究电 子的交换反对称性的影响，采用Slater行 列式来求能量，经过合适的变换，得到了 如式所示方程：
' 2 * ' ' 2 | ( r ) | ( r ) ( r ' ' i ) ' i ' i V ( r ) dr ( r ) dr E ( r ) i ii ' ' ' ' | r r | | r r | i ( i ) i ( i ), ||
• 为了更加准确地描述多电子系统， Hohenberg P和Kohn W提出了两个基本 的定理： • (1) 定理1：不计自旋的全同费密子系统的 基态能量是粒子数密度函数的唯一泛函； • (2) 定理2：能量泛函在粒子数不变条件下 对正确的粒子数密度函数取极小值，并等 于基态能量。
• 定理1的主旨思想是粒子数密度函数是一个 决定系统基态物理性质的基本变量；定理2 的要点是在粒子数不变条件下能量泛函对 密度函数的变分就得到系统基态的能量。 密度泛函理论的理论基础是这两条基本定 理，其基本的思想是原子、分子和固体的 基态物理性质可以用粒子密度函数来表示。
• Kohn- Sham方程中的交换关联势近似为 式
密度为 (r)
E [ ] d V [ ( r )] ( ( r ) [ ( r )]) d ( r )
xc xc xc
xc[(r) ：均匀无相互作用电子气的交换-关联密
度，在实际的计算过程中，通常把交换关联密度分成两部分：交换项和关联项。
1 f
4 /3
22 1
1 /3
《计算材料学》课程简介和教学大纲格式
（二）考试评分与建议 本门课程的总评分分为 2 个部分，每部分占总成绩的比例如下：课后编程作业：20％；
第三章 分子动力学方法（12 学时） 3.1 分子动力学运动方程的求解 3.2 势函数（力）及其求解 3.3 边界条件和约束问题 3.3 分子动力学方法的软、硬球模型 3.4 分子动力学方法在材料科学中的应用
2
第四章 量子力学第一性原理（12 学时) 4.1 量子力学基础知识 4.2 分子的结合能计算 4.3 物质的能带结构及其计算 4.4 多电子体系的电子态 4.5 密度泛函概要
simulation on materials science are illustrated.
二、教学目标 (一)学习目标
通过《计算材料学》课程的学习，使学生初步掌握材料研究过程中常用的基本计算机模
拟方法和原理，了解计算机模拟技术在材料学中的应用。针对材料研究领域的特点，结合学
习材料科学基础和计算机技术，了解模拟方法研究材料问题的一般步骤和方法。
方法，如：有限差分法、蒙特卡罗方法、分子动力学方法以及第一性原理。本课程中还较多 例举了材料研究中的实际模拟问题。
（二）英文简介 The course introduces the basic conceptions，ideas and methods in computa
tional materials science. According to the space scale of numerical simula tion, the course presents microstructure simulation，atom simulation and quantu m mechanics, for instance, finite difference method，Monte-Carlo method，molecu le dynamical simulation and first-principle. In this course, some examples of
材料工程基础讲稿6
5．转变的可逆性 冷却时，高温相可以通过M转变而转变为M。同样，加热时M也 可以通过M转变而转变为高温相，即M转变具有可逆性。一般称加 热时的M转变为逆转变。逆转变与冷却时所发生的M转变具有相同 的特点。与冷却时的Ms及Mf相对应，逆转变时也有转变开始温度 As及转变终了温度Af。As较Ms为高，两者之差视合金而异，如AuCd ,Ag-Cd等合金较小，仅20～50℃，而Fe-Ni等合金就很大，大于 400℃。对钢来说，在一般情况下观察不到M的逆转变，这是因为M 被加热时在温度尚未到达As点的过程中已发生了分解（回火），因 而不存在直接转变为A的可能性。只有在采用极快的加热速度，使 之来不及分解的情况下才会发生逆转变。据报导，含0.8%C钢以 5000℃/s的速度加热时，可以在590～600℃发生逆转变。
G－T关系 Greninger和Troiano精确地测量了Fe-0.8C-22Ni合金 奥氏体单晶中M的取向，发现K－S关系中的平行晶面和晶向实际上 还略有偏差，即：{110}α’∥{111}γ差1o, <111>α’∥<110>γ差2o。 2）惯习面 由于M转变是以共格区别的方式进行的，所以M相变时的惯习面 也就是两相的交界面，即共格面。正因如此，惯习面应是不畸变平 面，即不发生畸变和转动。钢中M的惯习面随碳含量的不同而异， 常见的有三种： 碳含量＜0.6%为{111}γ，0.6～1.4%为{225}γ，＞1.4%为 {259}γ。 另外，随M形成温度的下降，惯习面向高指数变化，例如碳含量 较高的A在较高温度形成的M的惯习面为{225}γ，而在较低温度形 成的M的惯习面为{259}γ。由于M的惯习面不同，将会带来M组织 形态上的差异。
M块：指惯习面晶面指数相同且与母相取向关系（指晶面平行关系）相同的 板条集团。在维持K－S关系的情况下，一个惯习面上可以有六个不同的取向。 各块之间以大角度界面（块界）分开，并在光镜下呈现黑白交替的色调。 当板条束内呈现块时，每一个小块内的板条均具有相同的取向，故块又可称为 同位向束。如果在板条束内不出现块，则相邻的板条有可能绕<110>α’轴，从 一个取向转向另一个取向，在一个惯习面上，最多可以有六个取向，故最多 转动六次后就将恢复到最初的取向。但在实际情况下不一定所有的六个取向 均能出现。
计算材料学-第六章
tem2(21)=tr(ii+1) WRITE(1,*)‘Time steps',ii*3 write(1,56)(tem2(jw),jw=1,21) do 32 i1=1,21 32 tem1(i1)=tem2(i1) jsjs=jsjs-1 ii=ii+1
jsjs=js tem2(1)=30.+273. 时刻2温度
if(jsjs.ne.0) go to 453 close(1)
do 3 i=1,js+1
56 format(1x,10f15.8)
3 tr(i)=30.+273.+0.5*float(i-1)*3.
stop
C write(*,*)tr ii=1 计数器
end
453 dd=0.
do 1 j=2,20
2 T y2
2 T z2
qi
C
0
3. 导热微分方程的单值条件：即导热问题的初始条件和边界条件。 初始条件：物质开始导热的瞬间温度分布。 即：t＝0时的T＝T（x，y，z），最简单的情况是：
t ＝0，T＝常数
边界条件可以分为：
1）第一类边界条件：直接给出物体表面温度Tw随时间的变化情 况，即：
Tw f ( )
1.2 热传导的热量传递： 热流量：单位时间内通过某一表面所传递的热量称为 热流量，用f来表示。 热流密度：单位时间，单位面积所传递的热量称为热 流密度，用q来表示。
根据实验结果，热流量可以表示为：
f
A T
T
A
为比例系数，热传导率，T 为温差，A为传热面积， 为温差距离。
1.3 热对流的表示：
T
m
i
a
2T x2
计算材料学讲稿-3
第三周计算材料学——第一性原理本课学习的要求和目的：计算材料学的一个重点就是掌握材料的计算机设计，即直接通过理论模型和计算，预测和设计材料结构与性能。
而第一性原理方法的学习正是满足这一要求，因此，通过本专题的学习，使同学们在掌握该方法的基本理论思想的基础上，进而应用计算机手段来完成材料结构和性能预测的目的。
引言材料是由许多相互接近的原子排列而成，排列可以是周期性的，也可以是非周期性的。
材料中离子和电子的数目均达到 1024/cm3 的数量级，这是一个复杂的多粒子系统，虽然原则上可以通过量子力学对系统进行求解，但由于过于复杂，必须采取合理的简化和近似才能用于实际材料的计算。
量子力学建立于 20 世纪 20 年代，但对于固体的了解仅在过去的30 年才. 开始，原因是固体中存在着复杂的电子一离子、电子一电子相互作用。
目前，固体量子理论的发展在利用计算机的条件下己经用来探索和预测尚未合成的新材料。
Cohen 教授所发展的第一性原理方法，近年来在预测新材料性能方面有两个突出事例 :一是预报存在 Si 的高质金属相及其超导性 ;二是预报 C3 从超硬材料。
第一性原理方法是在电子层次上研究材料的性能。
所谓第一性原理，即从最基本的物理规律出发，求解体系的薛定愕 (schr6dinger)方程以获取材料性能方面的信息，从而理解材料中出现的一些现象，预测材料的性能。
除原子构型外，它不需要任何其他的经验参数，因此，第一性原理方法是一种真正意义上的预测。
第一性原理方法的基本计算结果为体系总能量以及电荷分布 (电荷密度，态密度 )，很多更加实用的量如弹性常数，点及面缺陷的形成能均可从这些量推演而来。
更进一步，借助于某些统计力学，第一性原理计算还可为相变及合金中的相图本质提供有益的启示。
近年来，第一性原理在新材料的理论预测中起到了重要的作用。
用第一性原理来计算晶体的原胞大小，误差仅为几个百分比，其它的几何结构行为，如杂质的位置、位错、缺陷的结构、晶粒界面及表面同样可以用第一性原理计算方法来计算，这里只简单的介绍这些方法的基本思路和框架。
计算材料学导论精品PPT课件
科学计算的可行性
计算机软、硬件条件的飞速发展为科学计算提供了有力 保证。
量子力学，量子化学等基础理论的发展为科学计算奠定 了理论基础。
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CPU的速度增加:Moore定律
Moore定律：计算机CPU 的速度每1.5年增加一倍。 1946~1957 真空管,第一代 1958~1963 晶体管,第二代 1966~1970集成电路,第三代 1971~ 大规模和超大规模
计算材料学
Computational Materials Science
——材料设计、计算及模拟
2008.10
1
主要内容
计算材料学的起源 计算材料学的方法 计算材料学的应用
2
主要内容
计算材料学的起源 计算材料学的方法 计算材料学的应用
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计算材料学的起源
1913 Niels Bohr 建立了原子的量子模型。 1920s~1930s 量子力学的建立和发展。 1928 F. Bloch 将量子理论运用于固体。 1927 原子电子结构的Thomas-Fermi理论。 1928-1930 Hatree-Fock方法建立，采用平均场近似求解
集成电路,第四代
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多核技术 集群技术
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材料设计
材料设计（Materials by design）一词正在变为现 实，它意味着在材料研制与应用过程中理论的份量不断增 长，研究者今天已经处在应用理论和计算来设计材料的初 期阶段。
——美国国家科学研究委员会（1995）
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计算材料学的概念
计算材料学是沟通理论与实验、宏观与微观的桥梁。
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主要内容
计算材料学的起源 计算材料学的方法 计算材料学的应用
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《计算材料学》课程教学大纲
课程性质 (Course Type)
授课语言 (Language of Instruction) *开课院系 （School）
先修课程 （Prerequisite）
授课教师 （Teacher）
必修
双语
材料科学与工程学院
材料科学基础，材料热力学，统计物理，固体物理
金朝晖，张澜庭，顾剑锋，韩 先洪，刘晓晖，孙锋
课程教学大纲（course syllabus）
*课程目标 (Learning Outcomes)
1．掌握物理、化学的基础理论知识，能将相关知识和数学模型方法用于专业工程问题解决
方案的比较与综合（支持毕业要求 2.4，5.1）
2．掌握从事材料类工程工作所必须的专业基础知识 （支持毕业要求 2.4，5.1）
的典型应用 掌握基于机器学 习方法进行材料 性能预测的软件 使用
随堂测试
实验报告 评估
*考核方式 (Grading)
（成绩构成）实验报告 50% + 随堂测试 50%
*教材或参考资 料
(Textbooks & Other Materials)
教学参考资料： （1）《分子模拟—从算法到应用》，Frenkel & Smit 著，汪文川译，化学工业出版社 （2）《计算材料学》，D. Raabe 著，项金钟、吴兴惠译，化学工业出版社 （3）《有限元法基础》，李人宪著，国防工业出版社 （4）Surya R. Kalidindi, Chapter 1 Materials, Data and Informatics, in Hierarchical Materials Informatics: Novel Analytics for Materials Data, Butterworth-Heinemann 2015, ISBN: 978-0-12410394-8, pp.1-32
计算材料学-概述2017-3-16
1998年美国副总统戈尔在加利福尼亚科学中心发 表了题为“数字地球─21世纪认识地球的方式”的演 讲，指出：“在发明计算机之前，用实验和理论的方 法来研究都很受限制。许多实验科学家想研究的现象 都很难观察到，它们不是太小就是太大，不是太快就 是太慢，有的一秒钟之内就发生了十亿次，而有的十 亿多年才发生一次。另一方面纯理论又不能预报复杂 的自然现象所产生的结果，如雷雨或飞机上空的气 流”。“有了高速计算机这个新工具，我们就可能模 拟以前不可能观察到的现象，同时能更准确地理解观 察到的数据。这样，计算科学使我们能超越实验与理 论科学的局限，建模与模拟ห้องสมุดไป่ตู้了我们一个深入理解正 在收集的有关地球的各种数据的新天地”
1954年11月，费米逝世，他的合作者继续工作， 于1955年5月写出Los Alamos 研究报告LA-1940。这篇 秘密报告历经多年、解密后被正式收入《费米全 集》。这篇具有重大意义的报告，被许多人认为是 计算物理的正式起点，因为它提出了许多问题，带 来了当时谁也未曾想到的重大发展。
从此，物理问题的计算与计算机相互促进，开始 蓬勃发展。
计算材料模拟的尺度
1m, 1s
10-9m, 10-10s
计算材料学概述
计算材料学的起源、发展与趋势 计算材料学的重要性 计算材料学的方法、层次与特点
科学的体系和结构发生深刻变化
对 象： 宏观现象 微观本质 方 法 学： 描述、归纳 演绎、推理 理论层次： 定性 定量
计算化学 计算物理
计算材料学起源-科学计算
1983年，在美国国防部、能源部、国家科学基 金会和国家航天局主持下，以美国著名数学家拉克 斯为首的不同学科的专家委员会向美国政府提出报 告，强调“科学计算是关系到国家安全、经济发展 和科技进步的关键性环节，是事关国家命脉的大 事”。
《计算材料学》课件
优化材料制备与加工过程
计算模拟有助于理解材料制备和加工过程中的关键因素，实现更高 效和环保的生产。
计算材料学的发展历程
早期发展
20世纪50年代，计算机技术开始应用于材料性质 的计算和模拟。
快速发展期
20世纪末至21世纪初，随着计算机技术的进步， 计算材料学得到广泛应用。
当前研究热点
人工智能与机器学习在计算材料学中的应用，为 材料设计和性能预测提供了新的手段。
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
02
计算材料学的基本原理
密度泛函理论
核心理论
密度泛函理论是计算材料学中的核心理论之一，它通过将多电子系统的波函数表示为单电子密度函数 的基组展开，简化了复杂的多体问题，使得能够通过第一性原理方法计算材料的电子结构和性质。
02
材料基因组计划采用高通量实验 和计算模拟的方法，对大量候选 材料进行快速筛选和优化，加速 新材料的发现和开发进程。
人工智能在计算材料学中的应用
人工智能技术在计算材料学中具有广 泛的应用前景，它能够通过机器学习 和深度学习等方法，自动提取材料数 据中的有用信息，提高预测精度和效 率。
人工智能技术可以应用于材料性质预 测、材料优化设计、材料合成路径规 划等领域，为新材料的发现和开发提 供有力支持。
大规模并行计算
大规模并行计算是利用多个处理器或计算机同时进行计算的 技术，它能够加速大规模材料模拟和计算过程，提高计算效 率和精度。
大规模并行计算技术包括多核处理器、图形处理器（GPU） 、专用集成电路（ASIC）等，这些技术能够实现高效的并行 计算和数据处理。
计算材料学讲义ppt课件
.
（6）旋转反映轴--映轴 • 旋转反映 Sn，包括绕对称轴的逆时针旋转360°/n，接着
作垂直反射。 • 符号为ñ (Sn)，设对称轴沿[001]方向，其矩阵表示为：
如平移，螺旋转动和滑移反映。
.
• 对称操作： 一个物体运动或变换，使得变换后的物体与变换 前不可区分（复原，重合）。
• 对称元素：在对称操作中保持不变的几何图型：点、轴或面。
.
1、点式操作
（1）全同操作 • (1) 全同操作(Identity)，符号表示为1 (E)，对应于物体不动
的对称操作，相对应的变换矩阵为单位矩阵。
2、写出沿三个坐标轴X，Y和Z的4次旋转轴的表示矩阵。
.
（3）倒反中心(Inversion center) 倒反中心：也称为反演中心或对称中心(Center of symmetry)，它的操作是通过一个点的倒反(反演)，使空间 点的每一个位置由坐标为(x、y， z)变换到(- x， - y， - z)。符号为1(i)，变换矩阵为
.
（4）反映面--镜面 ① 反映面，也称镜面，反映操作是从空间某一点向反映面 引垂线，并延长该垂线到反映面的另一侧，在延长线上取 一点，使其到反映面的距离等于原来点到反映面的距离。 符号为m (s)。 ② 为了表示反映面的方向，可以在其符号后面标以该面的 法线。如法线为[010]的反映面，可记为m [010]。
_~ _~ _~ _~ _~ 1 2 ,2 1 ,3 6 ,4 4 ,6 3
.
2、非点式对称操作
• 非点式对称操作：是由点式操作与平移操作复合后形成的新 的对称操作-
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第一次课绘制简单分子一、画一个苯酰胺目的：介绍Materials Visualizer中画结构的工具。
用到的模块：Materials Visualizer化学家每天都要处理很多种类的小分子和中间物。
所以容易的创建模型对建模环境都是很重要的。
苯酰胺是典型的小分子结构。
以下通过建立他的结构来学习Materials Studio。
下面是要建立的苯酰胺的结构：Benzamide1.创建3D文档：从菜单中选择File | New...打开New Document对话框。
选择3D Atomistic Document（三维原子文档），按OK。
建立了一个三维窗口，工程管理器中显示建立了名为3D Atomistic Document.xsd的文件。
在工程管理器这个文件名上右击鼠标，选择Rename改名。
键入my_benzamide的新名字，按回车。
选择File | Save命令，或按标准工具条中的按钮。
在my quickstart文件夹（每个工程都对应一个同名的文件夹）中建立了名为my_benzamide.xsd的文件。
2. 改变到Ball and Stick球棍模型显示方式。
三维窗口中右击鼠标，选择Display Style，打开Display Style对话框，在Atom 选项卡上设置。
Materials Studio能在任何显示方式下添加原子。
3. 画环和原子链。
在草画工具条上单击Sketch Ring 按钮，鼠标移到三维窗口。
鼠标变为铅笔行状提示你处于草画模式。
鼠标榜的数字表示将要画的环包括的原子数目。
可以通过按3-8的数字键改变。
确保这个数字为6，三维窗口中单击。
画出了一个6个C原子的环。
如果安装ALT键单击，产生共振键。
现在单击草画工具条Sketch Atom 按钮，这是通用添加原子工具，可加入任何元素，默认加入C原子。
如下在环上加入两个C原子。
在环上移动鼠标，当一个原子变为绿色时单击，键的一端就在这个原子上，移动鼠标再单击就加入了一个C原子，再移动，并双击。
这样在环上加入了两个原子。
另一种结束添加原子的方法是在最后一个原子位置单击，然后按ESC键。
注意，新加入的原子的化学键已经自动加上。
注意：你可以按Undo 按钮取消错误操作。
4、加入氧原子。
按Sketch Atom按钮旁的向下按钮，显示可选元素，选择氧Oxygen，在支链上移动鼠标，当变为蓝色显示时单击，这个原子就有了一个化学键，移动鼠标并双击。
加入了O原子。
在3D窗口工具条上按按钮，进入了选择模式。
5. 编辑元素类型。
单击链末端的C原子，选定它。
选定的对象用黄色显示。
按Modify Element按钮旁的箭头，显示元素列表，选择Nitrogen氮，选定的原子就变为了氮原子。
单击三维窗口中空白地方，取消选择，就可以看到这种变化了。
6．编辑键类型。
在三维窗口中在C和O原子中间单击选定C－O键。
选定的键以黄色显示。
按下SHIFT键，单击其它三个相间的键。
现在选定了三个C－C键和一个C－O键。
单击Modify Bond 按钮旁的向下按钮，显示键类型的下拉列表，选择Double Bond双键。
取消选定。
7. 调整氢原子和结构现在可以给结构自动加氢。
单击Adjust Hydrogen 按钮，自动给模型加入数目正确的氢原子。
单击Clean 按钮，调节结构的显示，它调整模型原子的位置，以便键长、键角、和扭矩显示的合理。
8. Kekule和共振键转变。
Materials Studio的计算键工具可以容易的在KeKule（开库勒）和共振显示模式间转变。
选择Build | Bonds命令，打开Bond Calculation对话框。
在Bonding Scheme （键模式）选项卡中，Option部分选中Convert representation to checkbox，空格里默认显示Kekule，选择Resonant。
按对话框底部的Calculate（计算）按钮。
C环以共振方式显示。
本例子中要以Kekele方式显示，所以选择Edit |Undo命令，或者按标准工具条中按钮，取消刚才的计算。
关闭Calculate Bonds对话框。
9. 查看修改键长：你可以使用草画工具条Measure/Change工具来查看修改距离、角度和扭矩等。
Measure/Change tool单击Measure/Change按钮旁的向下按钮，选Distance(距离)，然后鼠标在氧原子上移动，直到它以蓝色凸出显示，单击。
同样方式单击和氧原子成键的那个C原子。
这样建立了一个距离监视器，以埃为单位显示键长。
鼠标在三维窗口中空白处向下拖动，增加C－O键长度，再按Clean按钮。
监视器的数值显示出当前的长度。
最后，单击Rotation Mode（旋转模式）按钮，拖动鼠标，以不同角度查看模型。
距离监视器的颜色在活动时为红色，不活动时为蓝色。
你可以使用Properties Explorer（属性管理器）查看你创建的模型的有关信息。
选择View | Explorers | Properties Explorer命令打开属性管理器。
属性管理器一般停靠在窗口坐标。
可以在它标题栏拖动取消停靠或者停靠在其它地方。
单击属性管理器中的Filter下拉菜单，选择molecule（分子）。
二、绘制苯酚(1).打开MS Modeling：运行MS Modeling 并且生成一个新的3D 文档。
(2). 绘制环：并在文档中绘制一个6 元环。
注意当你在绘制的同时按下Alt 键，会绘制带虚线的六元环，表示在这里有部分双键的性质，即为芳香键。
（3）加氧原子：由于苯环中六个碳原子完全相同，因此可以在任何一个碳原子上加入氧原子。
在Sketch 工具栏上单击Sketch Atom 按钮，在任意碳原子上单击并拖拽生成氧原子。
在Sketch 工具栏上单击Auto Hydrogen 按钮自动为分子加入合适的氢原子，同时按下Clean 按钮，以获得更具有化学合理性的分子结构。
绘制完成后，可以用不同的观测工具对分子进行平移、旋转和缩放操作。
三、绘制双环戊二烯双环戊二烯经常被用到杀虫剂和除草剂的合成工艺中。
首先在新文档中加入一个六元环，然后将环的尺寸改为五元环。
将鼠标移动到六元环的一个键上，当该键变为蓝色的时候按下鼠标左键将在该六元环上加入一个五元环结构。
选择Sketch Atom 按钮，保证绘制原子为碳原子。
在下图的1、2 号原子之间连续单击以生成桥碳原子。
选择3、4 号键，并在Bond Type 按钮中将其设置为双键。
最后我们将为其加入合适的氢原子并对整个结构进行整理。
第二次课用第一性原理预测AlAs 的晶格参数背景：最近在密度泛函理论方法(DFT)应用于大周期系统的研究方面的进展在解决材料设计和加工上变得越来越重要。
该理论允许对实验数据进行解释，测定材料的潜在性质等等。
这些工具可以被用来指导新材料的设计，允许研究者了解潜在的化学和物理过程。
本指南描绘了CASTEP 是如何使用量子力学方法来测定材料的晶体结构，使用者将学会如何构建晶体结构，设定一个CASTEP 几何优化任务，然后分析计算结果。
本指南运行的几何优化任务需要耗费巨大的计算时间。
1. 构建AlAs 晶体结构构建晶体结构，需要了解空间群、晶格参数和晶体的内坐标等知识。
对AlAs 来说，空间群是F-43m，空间群代号为216。
基态有两个原子，Al 和As 的分数坐标分别为(0, 0, 0)和(0.25, 0.25, 0.25)，晶格参数为5.6622 Å.。
第一步是建立晶格。
在Project Explorer 内，右击根目录选择New | 3D Atomistic Document。
右击该文件，将该文件重新命名为AlAs.xsd。
从菜单栏里选择Build | Crystals | Build Crystal。
Build Crystal 对话框显示出来。
点击Enter group 输入216，按下TAB 按钮。
空间群信息更新为F-43m 空间群。
选择Lattice Parameters 标签栏，把值从10.00 变为5.662。
点击Build 按钮。
一个空白的3D 格子显示在3D Atomistic 文件里。
现在可以添加原子。
选择菜单栏里的Build | Add Atoms。
使用这个对话框，可以在确定的位置添加原子。
在Add Atoms 对话框上，选择Options 标签栏。
确认坐标系统设置为Fractional。
选择Atoms 标签栏。
在Element 文本框里，输入Al，然后按下Add 按钮。
铝原子被添加到结构中。
在Element 文本框中，输入As。
在a、b 和c 文本框分别输入0.25。
按下Add 按钮。
关闭此对话框。
原子被添加到结构中，对称算符被用来建立晶体结构中的剩下的原子。
原子也会显示在相邻元胞中，这描绘了AlAs 结构的化学键的拓扑图像。
从菜单中选择Build | Crystals | Rebuild Crystal...。
按下ReBuild 按钮。
外部原子被移走，并且晶体结构显示出来。
可以把显示模式改为球棍模式。
右击结构文件，选择Display Style。
在Atom 标签栏上，选择Ball and stick 选项。
关闭此对话框。
3D Viewer 内的晶体结构是传统元胞，显示了晶格的立方对称性。
CASTEP 使用晶格的完全对称性，如果存在的话。
这样，每个元胞包含两个原子的原始晶格可被用来计算，这与包含了8 个原子的传统晶格不同。
电荷密度、键长和每个原子的总能量将是一样的，而不管这个元胞是如何被定义的。
这样，在元胞中使用了较少的原子，计算时间将被缩短。
Note：在计算磁系统时需要注意对自旋极化的计算，这时候电荷密度自旋波的周期是原始元胞的数倍。
选择菜单栏里的Build | Symmetry | Primitive Cell。
模型文件显示为原始胞。
2. 设置CASTEP 计算任务选择工具条中的CASTEP 工具，然后选择Calculation。
CASTEP 的Calculation 对话框显示为：现在需要对结构进行几何优化。
把Task 改为Geometry Optimization，计算精度设置为Fine。
优化的默认设置是只对原子的坐标进行优化。
然而，本例中，在对原子坐标进行优化的同时也要对晶格进行优化。
按下与Task 相关的More…按钮，勾选上Optimize Cell 关闭此对话框。
当改变计算精度的时候，其他的参数也会自动作相应的变化。
选择Properties 标签栏。
在Properties 栏里，可以指定需要计算的性质。
勾选上Band structure 和Density of states。